萬斯·伯傑龍曾經是一位業餘腳踏車手，每年騎行 7000 公里，其中大部分是在阿爾卑斯山的陡峭山坡上。但在 2013 年 2 月，這位 50 歲的化學工程師在法國里昂高等師範學院騎腳踏車上班時，被一輛汽車撞倒。撞擊使他飛到空中，頭部著地，頸部骨折。當他醒來時，他得知自己將永遠無法自行移動雙腿，並且手臂的活動能力也受到限制。
在床上躺了幾個月，身體盡力恢復時，伯傑龍開始尋找重返腳踏車運動的方法。他開始研究神經科學，重點是研究機器人假肢，這種假肢可以將像他這樣的人變成“半機械人”：人類和機器的結合體。他了解到，其中一些假肢使用一種稱為功能性電刺激 (FES) 的技術，將電訊號傳遞到萎縮的肢體或缺失肢體的殘肢上，從而引起肌肉收縮並恢復部分功能。
伯傑龍一恢復到可以使用輪椅的程度，他就將這個想法帶回了實驗室，在那裡他將研究重點轉向神經科學。他以自己為小白鼠，和他的團隊一起研究如何刺激他腿部的神經，使他的肌肉能夠彎曲並踩動腳踏車。“我已經成為我自己的研究專案，這是一個雙贏的局面，”他說。
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即使進行有規律的鍛鍊以增強肌肉，伯傑龍的人工刺激腿最多也只能產生 20 瓦的功率，僅為普通腳踏車手產生的 150-200 瓦功率的十分之一。但他和他的團隊正在將 FES 控制器和電極安裝到碳纖維躺臥三輪車上，他希望這輛車能幫助他做得更好——並且或許能在 10 月 8 日贏得一枚獎牌，屆時他將帶著他的機器前往瑞士蘇黎世，參加義肢奧運會：首屆半機械人奧運會，與其他 FES 腳踏車手比賽。
機器學習
在世界各地，近 80 個研究小組在 25 個國家/地區為這項 500 萬歐元（550 萬美元）的賽事磨練他們的技術。他們的規模從小型的臨時團隊到世界上最大的先進假肢製造商不等，其中包括約 300 名科學家、工程師、支援人員和參賽者：殘疾人士，他們每個人都將參加六個賽事中的一個，這些賽事將挑戰他們應對日常生活瑣事的能力。假肢手臂使用者競賽將由第一個完成包括準備膳食和在晾衣繩上晾曬衣服等任務的半機械人贏得。電動輪椅競賽將測試參與者應對日常障礙物（如顛簸和樓梯）的能力。
場地——蘇黎世可容納 7600 名觀眾的冰球體育場——應與電視攝像機和團隊隊服相結合，使義肢奧運會具有類似於殘奧會的體育氛圍，在殘奧會中，殘疾運動員使用輪椅、跑步刀片和其他輔助技術進行比賽。不同之處在於，殘奧會專門讚揚人類的表現：運動員必須使用僅靠肌肉力量驅動的市售裝置。但義肢奧運會則讚揚技術和創新。它的冠軍將使用動力假肢，通常是直接從實驗室裡拿出來的，他們被稱為“駕駛員”而不是“運動員”。希望在比賽中試用的裝置將加速技術發展，並最終為世界各地的人們所使用。
蘇黎世瑞士聯邦理工學院的生物醫學工程師、義肢奧運會的創始人羅伯特·里納說，義肢奧運會中測試的日常任務比看起來要困難得多。“我認為人們被網際網路和好萊塢電影寵壞了，”他說。“我們想向人們展示仍然存在挑戰。”
里納將義肢奧運會的起源追溯到關於一項慈善活動的新聞報道：在 2012 年 11 月，一位名叫扎克·沃特的男子，他在一次摩托車事故中失去了一條腿，他使用一種實驗性的電動假肢腿在短短 45 分鐘內爬上了伊利諾伊州芝加哥市威利斯大廈的 103 層樓。
這一壯舉給媒體和里納留下了深刻印象。但也讓他感到沮喪：沃特的裝置，以及來自里納實驗室和世界各地其他實驗室的類似令人印象深刻的假肢，並沒有到達需要它們的人手中。“我們正在做偉大的工作，但沒有很好地推銷它，”他想。那麼，為什麼不從威利斯大廈的特技表演中汲取靈感，並透過向假肢研究界的所有人開放的比賽來吸引人們對這項技術的關注呢？
里納的 30 人實驗室團隊對設計這樣一個活動感到興奮。不久之後，訊息就傳到了世界各地的同事那裡。
起初，里納曾考慮舉辦一些炫目的活動，例如用假肢攀登一座山。但在 2013 年，在與一位因癌症失去手臂並佩戴假肢的熟人交談後，他改變了主意。該裝置末端是一個鉤子，當這個人彎曲殘肢中的某些肌肉時，鉤子會被電纜移動。它在大幅度運動時效果很好，但在精細控制方面卻無能為力。這位男士告訴里納，有一次，他正在買電影票，他能感覺到排在他後面的人們盯著他，越來越不耐煩，因為他費力地掏出錢包並抓住紙片。
里納意識到，這些平凡的挑戰比設計例如一個簡單地幫助某人跑得快的彈簧腿的需求更大、更有意義。因此，他決定，大多數義肢奧運會比賽將明顯是非奧運會的。
腦力
最奇怪的無疑將是腦機介面 (BCI)競賽，該競賽將有 15 名駕駛員靜坐 4 分鐘，而競技場中的大螢幕將顯示他們頭部中發生的事情。每個人都將嘗試使用特定的大腦活動模式，透過電極帽將其轉化為三個命令：加速、跳過尖刺或在雷射束下滾動，從而引導螢幕上的角色透過障礙訓練場。
原則上，這些模式可以是任何東西。例如，在英國科爾切斯特的埃塞克斯大學，由博士後安娜·馬特蘭-費爾南德斯領導的一個由現任和前任學生組成的團隊設計了一種演算法，該演算法將三種運動與駕駛員想到自己的手或腳，或者完成一個數學方程式聯絡起來。
電訊號很微弱，而且每個人都不同，因此可能難以區分命令——尤其是在駕駛員分心時，例如在比賽中被歡呼聲和腎上腺素分散注意力時。瑞士洛桑聯邦理工學院的神經科學家何塞·德爾·R·米蘭說，不斷思考任務在精神上是令人疲憊的，他的團隊正在研究預測思維模式的方法，以使這種聯絡更自然，讓駕駛員放鬆。
BCI 可能永遠不會用於真正的跳躍和跑步，因為檢測肌肉中的電活動要容易得多。但是，如果能夠製造出足夠便宜和準確的此類裝置，它們可以幫助殘疾人士引導輪椅、游標，甚至支援 Skype 的機器人，這將使他們能夠虛擬地參與活動。“你可以在實驗室裡開發出這種技術，並將其帶出來並看到它有效，這意味著它是有未來的，”馬特蘭-費爾南德斯說。
其他義肢奧運會賽事將突出在更傳統的裝置方面取得的巨大進步。在假肢腿競賽中，參賽者必須透過諸如樓梯、隨意放置的石頭、傾斜的人行道和門等障礙物——更不用說坐在椅子上並再次站起來了。一些參與者將使用最先進的智慧膝蓋和腳踝，它們可以檢測步行時的力和加速度，並在他們開始跌倒時糾正他們的運動。
但即使是最先進的工程技術，與完整身體自然而然地做的事情相比也相形見絀。當一個人用血肉之軀的手臂拿起一支筆時，他們的大腦和周圍神經系統會協調伸出多遠，如何將每根手指的每個關節彎曲成精確的形狀，以及抓握的力度——所有這些都不需要有意識的努力。標準的活動假肢，例如帶有鉤子和電纜的型別，需要使用者有意識地完成所有這些操作。這需要付出巨大的努力，這也是許多截肢者選擇不佩戴它們的原因之一。
為了解決這個問題，研究人員必須建立計算機演算法，解碼來自肌肉和神經的訊號並預測佩戴者想要做什麼。在加拿大本拿比，一個名為 MASS Impact 的義肢奧運會團隊正在與駕駛員丹尼·萊坦合作，丹尼·萊坦是一位前加拿大殘奧會滑雪運動員，他在 1980 年的一次鐵路事故中失去了左臂。該團隊製造了一條手臂，手臂上有一個平面按鈕面板，該面板位於萊坦的殘肢上。
萊坦利用他對手的記憶，想象做出 11 種手勢中的一種，例如指向。他殘肢中的肌肉然後壓縮按鈕，並告訴他的人工手做他想做的事情。萊坦很高興地發現，曾經控制他手指的大腦回路仍然在正常工作，即使在他停止感受到失去的手臂的任何“幻肢痛”之後很久。“我正在使用我 35 年沒用過的東西，”他說。
有些手臂甚至更先進。由瑞典哥德堡查爾姆斯理工大學的生物醫學工程師馬克斯·奧爾蒂斯·卡塔蘭領導的團隊開發了一種可以感覺和移動的雙向假肢手（M. Ortiz-Catalanet al. Sci. Transl. Med. 6, 257re6; 2014）。手臂永久植入佩戴者的骨骼中，最多使用九個電極將運動命令從剩餘的肌肉傳遞到假肢，並將來自手指中感測器的訊號傳送回手臂的感覺神經。義肢奧運會駕駛員馬格努斯·尼斯卡是世界上唯一一個在實驗室外佩戴這種假肢的人。奧爾蒂斯·卡塔蘭希望能夠感覺到物體將為尼斯卡帶來競爭優勢。
由俄亥俄州克利夫蘭市凱斯西儲大學的生物醫學工程師羅納德·特里奧洛領導的團隊對 FES 腳踏車賽事採用了類似的策略，脊髓損傷的參賽者將在圓形跑道上騎行 750 米。包括伯傑龍在內的許多參賽者使用皮膚上的電極來刺激腿部肌肉。但克利夫蘭系統——最初旨在讓下肢癱瘓的人在柺杖的幫助下行走——的特點是將電極手術植入腿部肌肉中。佩戴者使用外部裝置選擇選單選項，例如“坐下”。植入式脈衝發生器啟用電極，使肌肉以正確的順序收縮。
在特里奧洛聽說義肢奧運會後，他意識到他可以將腳踏車運動新增到他的志願者的鍛鍊計劃中。他的團隊為一輛躺臥三輪車配備了感測器，這些感測器可以檢測騎車者踩踏板時腿部的角度，並自動改變刺激模式，以便一條腿推動，另一條腿拉動。
特里奧洛說，所有 27 名植入了他的電極的人都想嘗試騎腳踏車。在讓他們透過資格賽後，他縮小了參加義肢奧運會的決賽選手範圍。“我們想去瑞士並贏得這場比賽，”他說。“然後我想以此為跳板，在這裡建立一個鍛鍊計劃。”
關注獎項
這種競爭精神與特里奧洛對義肢奧運會的最初反應截然不同，他最初認為這項比賽是一個愚蠢的想法。“我們應該找到一種方法在國際上合作解決這些問題，而不是競爭，”他回憶說——他和里納說，他們仍然從假肢領域的某些人那裡聽到這種說法。
特里奧洛最終改變了主意：他認為義肢奧運會至少會是一次良好的學習經歷。里納本人希望，將比賽公開化將比傳統的學術流程更能激發創造力，傳統的學術流程受到研究人員對其智慧財產權和競爭撥款的擔憂的阻礙。
馬薩諸塞州波士頓哈佛商學院研究創新的經濟學家卡里姆·拉卡尼指出，比賽還迫使研究人員快速完成他們的工作，並消除關於可行性的疑慮，這些疑慮阻止他們一開始就啟動專案。他指出了自動駕駛汽車，它在發展了幾十年後一直處於停滯狀態，直到 2005 年美國國防高階研究計劃局舉辦了一場獎金為 200 萬美元的比賽。這場比賽最終引起了谷歌的興趣，谷歌現在正在道路上測試這種汽車。“這場比賽將起到同樣的作用，”拉卡尼說。義肢奧運會不會頒發獎金，只頒發獎牌。但他的研究表明，獲勝者獲得的認可可能具有同樣的激勵作用（K. J. Boudreauet al. RAND J. Econ. 47, 140–165; 2016）。
拉卡尼說，獎項的最大優勢或許在於，它們為不知名的參賽者提供了與大型知名企業同臺競技的機會。義肢奧運會吸引了大量這兩類參與者。總部位於德國杜德爾施塔特、市值數十億歐元的公司、世界上最大的假肢製造商奧托博克醫療保健公司參加了三項義肢奧運會賽事。其中一項是動力外骨骼競賽，脊髓損傷的參賽者將使用外部支撐系統來應對與動力腿競賽中類似的障礙物。奧托博克的駕駛員露西婭·庫爾斯因脊髓腫瘤失去了腿的活動能力。現在她 60 多歲了，她可以使用該公司商用的腿部支架行走 12 公里，該支架具有感測器、電子裝置和電機，可引導膝蓋和腳踝完成正常的腿部擺動。
奧托博克的產品經理克里斯托夫·屈斯佩特說，“我們正在義肢奧運會上展示自己，並考察其他製造商”。但他表示，該公司也有興趣瞭解來自大學中默默無聞的開發者的創新原型。
規模較小的開發者之一是赫蘇斯·塔梅茲-杜克，他是墨西哥蒙特雷的初創公司 INDI 工程與設計公司的總經理，他正在參加一個外骨骼原型機的比賽，該原型機比奧托博克 75,000 美元的型號便宜得多。該裝置的關節由雨刮器電機驅動，大部分主體是 3D 列印的。INDI 的參賽者使用連線到他的柺杖上的操縱桿從幾種程式設計好的動作中進行選擇，例如爬樓梯或坐下。
塔梅茲-杜克希望義肢奧運會能夠吸引合作者，並證明墨西哥可以成為該領域的參與者。“我們認為，義肢奧運會是一場彙集了世界頂級機器人實驗室的比賽，”他說。“我們仍在努力獲得這種代表性，以便其他人相信我們實際上可以為他們增加價值。”
義肢奧運會將於 2020 年重返東京，屆時將舉辦為期七天的活動，與奧運會同期舉行。它將為視力障礙的參賽者舉辦新的賽事，並將在體育場外進行一些比賽。但對於首屆義肢奧運會的參賽者來說，站在技術的最前沿已經是一種激動。“這是鋼鐵俠，這是阿凡達，”伯傑龍說。“這是 BCI 和外骨骼的結合，遍佈各處。”
本文經許可轉載，並於 2016 年 8 月 3 日首次發表。